Automação - Objetivos

Transcrição

1 REDES INDUSTRIAIS SEMANA 9 HISTÓRICO E ARQUITETURA DE REDES INDUSTRIAIS 1 Automação - Objetivos Uso de computadores e redes na automação de processos Realiza o trabalho repetitivo ou que de alguma forma são nocivos ou perigosos a saúde. Realiza medições e gerenciamento automático de processos. Deu origem a indústrias como a Eletrônica de Consumo e Automotiva. Trouxe um aumento na produção e qualidade de produtos. 2

2 Histórico das Redes Industriais Início da década de 60: computadores utilizados de forma isolada. 1838: Invenção do telégrafo, e a transmissão de pulsos elétricos (código de Morse) desenvolvido por Samuel F.B. Morse. Telefone Rádio Televisão TV a cabo Internet A fusão entre o Processamento de Informação e a comunicação torna os sistemas computacionais mais eficientes e eficazes. 3 A fusão entre o Processamento de Informação e a comunicação Permite intercambiabilidade, interoperabilidade, expansividade influindo nos custos e modos de gestão e manutenção. 4

3 SDCD Sistemas Digitais de Controle Distribuído Eram implementados com componentes digitais específicos para: O tipo de aplicação no que se refere ao SO desenvolvido para a aplicação. Programas aplicativos de controle e supervisão destinados a aplicação específica. Hardware e dispositivos de E/S com configurações específicas voltadas a aplicação. 5 Sistema Digital de Controle Distribuído antigo (EPY-100-ECIL) 6

4 Exemplo de SDCD EPY-100 da ECIL: (a) sumário de alarmes; (b) diagrama de produção; (c) visão geral de controladores e (d) gráficos de tendências. 7 Bastidor de um SDCD antigo (EPY-100-ECIL) 8

5 Arquitetura Genérica de um SDCD Estações locais de interface com o processo que realiza controle, monitoração e comunicação com controladores de malha simples. Interface homem-máquina interativa, para supervisão e monitoramento do processo, com vídeos coloridos e teclados funcionais. Rede de comunicação redundante com cabo coaxial ou fibra óptica. 9 CD 600 Plus Controlador Digital Multi- Loop - SMAR O CD600Plus é um controlador versátil e confiável de módulo único, capaz de controlar simultaneamente até 4 malhas de controles, com 8 PIDs e estratégias de controle sofisticadas com mais de 120 blocos de função. 10

6 11 Painel Frontal 12

7 Arquiteturas Atuais de um SDCD Devido o crescente desenvolvimento dos CLP (eficiência e confiabilidade) e das interfaces homem-máquina os SDCD passaram a ter uma nova arquitetura, tornando-se bem mais flexível e com um custo bem menor. A maioria das implementações atuais passaram a ser redes de CLP gerenciadas por Sistemas de Controle e Aquisição de Dados (Supervisory Control and Data Acquisition SCADA) 13 Principais Diferenças entre Arquitetura Antiga e Atual dos SDCD Os antigos eram computadores digitais que faziam controle, monitoramento e supervisão de sistemas de automação industrial de grande porte, com grande capacidade de processamento, grande número de E/S, interface homem-máquina (monitores) e programa supervisório. Os atuais substituem esta tecnologia por redes de controladores supervisionados através de programas do tipo SCADA. 14

8 Controlador Lógico Programável Controlador Lógico Programável Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. Segundo a NEMA (National Electrical Manufacturers Association), é um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. 15 CLP Um CLP é o controlador indicado para lidar com sistemas caracterizados por eventos discretos ou seja, com processos em que as variáveis assumem valores zero ou um (ou variáveis ditas digitais, ou seja, que só assumem valores dentro de um conjunto finito). Podem ainda lidar com variáveis analógicas definidas por intervalos de valores de corrente ou tensão elétrica. As entradas e/ou saídas digitais são os elementos discretos, as entradas e/ou saídas analógicas são os elementos variáveis entre valores conhecidos de tensão ou corrente. 16

9 CLP Os CLP's estão muito difundidos nas áreas de controle de processos ou de automação industrial. No primeiro caso a aplicação se dá nas industrias do tipo contínuo, produtoras de líquidos, materiais gasosos e outros produtos, no outro caso a aplicação se dá nas áreas relacionadas com a produção em linhas de montagem, por exemplo na indústria do automóvel. Num sistema típico, toda a informação dos sensores é concentrada no controlador (CLP) que de acordo com o programa em memória define o estado dos pontos de saída conectados a atuadores. 17 CLP E SDCD Os CLPs tem capacidade de comunicação de dados via canais seriais. Com isto podem ser supervisionados por computadores formando sistemas de controle integrados. Softwares de supervisão controlam redes de Controladores Lógicos Programáveis. Os canais de comunicação nos CLP s permitem conectar à interface de operação (IHM), computadores, outros CLP s e até mesmo com unidades de entradas e saídas remotas. Cada fabricante estabelece um protocolo para fazer com que seus equipamentos troquem informações entre si. 18

10 CLP e PROTOCOLOS DE REDES INDUSTRIAIS Os protocolos mais comuns são Modbus (Modicon - Schneider Eletric), EtherCAT (Beckhoff), Profibus (Siemens), Unitelway (Telemecanique - Schneider Eletric) e DeviceNet (Allen Bradley), entre muitos outros. Redes de campo abertas como PROFIBUS- DP são de uso muito comum com CLPs permitindo aplicações complexas na indústria automobilística, siderurgica, de papel e celulose, e outras. 19 Controlador Lógico Programável 20

11 Painel de Comando Contendo Controlador Lógico Programável 21 Histórico do PLC O CLP foi idealizado pela necessidade de poder se alterar uma linha de montagem sem que tenha de se fazer grandes modificações mecânicas e elétricas. O CLP nasceu praticamente dentro da industria automobilística, especificamente na Hydronic Division da General Motors, em 1968, sob o comando do engenheiro Richard Morley e seguindo uma especificação que refletia as necessidades de muitas indústrias manufatureiras. A idéia inicial do CLP foi de um equipamento com as seguintes características resumidas: 1. Facilidade de programação; 2. Facilidade de manutenção com conceito plug-in; 3. Alta confiabilidade; 4. Dimensões menores que painéis de Relês, para redução de custos; 5. Envio de dados para processamento centralizado; 6. Preço competitivo; 7. Expansão em módulos; 8. Mínimo de 4000 palavras na memória. 22

12 Um pouco de história 1960s Modicon Inventora do PLC (Richard Morley) Criadora do primeiro protocolo industrial bus 23 Dick Morley o Pai do PLC 24

13 PLC de 5ª Geração 5ª Geração: Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLP's, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante converse com o equipamento outro fabricante, não só CLP's, como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração a fim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamada Globalização. Existem Fundações Mundiais para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação. A grande dificuldade tem sido uma padronização por parte dos fabricantes. 25 CD 600 Plus Controlador Digital Multi- Loop - SMAR O CD600Plus é um controlador versátil e confiável de módulo único, capaz de controlar simultaneamente até 4 malhas de controles, com 8 PIDs e estratégias de controle sofisticadas com mais de 120 blocos de função. 26

14 27 Painel Frontal 28

15 CIM Conceito de Manufatura Integrada por Computador Sistemas que se caracterizam pelo gerenciamento de processos de forma integrada Manufatura Integrada por Computador (CIM). Os CIM possibilitam a interligação dos níveis de gerenciamento, controle e supervisão dos sistemas de automação de forma hierárquica com o uso de complexos algoritmos, distribuição do controle e centralização de macro decisões, possibilitando o gerenciamento do processo tanto técnico como administrativo. Atualmente a base de um CIM é formada por SDCD que representa praticamente todos os níveis de controle e execução do processo. 29 Estrutura do CIM É relevante destacar a importância dos programas de aquisição de dados, supervisão e controle (SCADA). Das redes de comunicação que utilizam protocolos industriais (fieldbus), essenciais ao bom funcionamento do CIM e do SDCD. 30

16 Comparações entre número e volume de informações. 31 Níveis Hierárquicos de um CIM 32

17 Arquitetura de Redes Industriais - Histórico Início: sistemas de controle totalmente baseados em controladores com malha única de realimentação (single-loop- controllers SLC) Década de 1960: Sistemas baseados em Mini e grandes computadores digitais, os chamados Controles Digitais Direto DDC. Década de 70 e 80: Sistemas de Controle Distribuído (DCS) aplicados em sistema de automação. Década de 90: Ocorreu um grande desenvolvimento na eficiência dos computadores, CLP, sensores, atuadores e sistemas de comunicação tornando os Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD) uma realidade. 33 Uso dos SDCD Todos os segmentos da automação: Processos Industriais Processos não industriais (sistemas de água e esgoto, energia elétrica, telecomunicações, etc.) Automação predial: controle de utilidades, detecção e alarme de incêndio, controle de acesso, etc. 34

18 Particulares do SDCD Misto entre os Controladores com Malha Única (SLC) e o DDC. O DDC implementa um grande número de malhas em um único computador, que centraliza todas as informações e funções de controle. O SDCD implementa as malhas de controle em pequenos grupos, cada grupo com o seu próprio processamento (controlador). Os controladores são conectados via barra de comunicação de dados (Data Highway BUS), que em alguns casos podem ser duplicados para aumentar a confiabilidade. 35 Estrutura de um SDCD com barramento duplo. 36

19 Vantagens do uso do SDCD Controle das funções tão independentemente quanto se deseja, permitindo escolha através da relação custo/benefício. Permite monitorar e ajustar as funções de controle de forma centralizada e com fácil operação. Permite sistemas com multiprocessadores controlados por um único gerenciamento, com capacidade de executar uma mesma tarefa compartilhada dinamicamente. Cada processador tem seu próprio gerenciamento (programa aplicativo) e realiza funções especiais. 37 Razão para se usar o processamento distribuído e paralelo (multicomputador) em sistemas de controle em tempo real: Tempo de resposta necessário. Múltiplas cópias dos componentes dos sistemas levam a uma maior flexibilidade e redundância. Algumas aplicações são geograficamente distribuídas. 38

20 Topologia de Redes: Em Estrela 39 Topologia em Anel 40

21 Topologia em Barramento 41 Topologia em Árvore 42

22 Resumo Comparativo entre as Topologias 43 Redes Digitais: O Modelo OSI da ISO 44

23 Comparação do Modelo OSI com o Protocolo TCP/IP 45 Sistema de Controle Centralizado Sistemas de controle centralizados com barramentos paralelos são os favoritos em aplicações onde uma alta eficiência de processamento é necessária. Um sistema de multicomputadores é usado. O esquema centralizado é feito de forma a manter os dispositivos juntos em uma única sala. Neste sistema, vários computadores compartilham um barramento comum. 46

24 47 48

25 49 50

26 51 Soluções para os Barramentos Paralelos UME FUTUREBUS S100: Muito usado na década de 80 na EUROPA, foi substituído pelo General Purpose Interface Bus GPIB 488 da IEEE. MULTIBUS II 52

27 Um sistema a Multicomputador usado como uma máquina de controle consiste de um controle principal (mestre-master) e de controladores escravos (slaves) 53 Arquitetura Mestre Escravo O controlador Mestre toma conta do Sistema Global de Controle. O controlador Escravo opera a nível de atuador. 54

28 Tarefas do Sistema Global de Controle Comunicação com os níveis de controle superior Interceptação de comandos Operação de sincronização M-E Coordenação de movimentos Cálculos. 55 Tarefas do Atuador Controle ou malha fechada. Processamento de Sinais. Medidas para manipular os eventos conforme pré-determinado. 56

29 A estrutura em Estrela para transferência de informações é aceita de acordo com a prioridade do controlador principal, no caso o Mestre. Neste tipo de sistema somente ocorre diálogo entre o controlador Mestre e os controladores Escravos. 57 É possível que em um sistema o multicomputador não utilize a configuração mestre-escravo, apesar desta continuar espacialmente centralizada. Um sistema deste tipo consiste de controladores com muiticomputadores centralizados com prioridades iguais. 58

30 Sistema a Multiprocessador ou um Sistema Distribuído Sistema de Computadores com prioridades iguais. Tomam conta juntos do sistema global de controle. As tarefas do sistema global de controle são decompostas em subtarefas e repartidas entre os computadores do controle. A troca dinâmica das tarefas entre os computadores também é possível para equalizar a carga de processamento. 59 Sistema global de controle com distribuição de tarefas iguais entre sistemas e atuadores. 60

31 Sistema de Controle Distribuído Caracterizado pelos transdutores, atuadores e controladores espacialmente distribuídos. Usa uma rede de comunicação serial para conectar as partes e minimizar a complexidade do cabeamento em grandes instalações. Este tipo de rede é chamado fieldbus (barramento de campo) 61 Sistema de controle distribuído em que o controlador, sensores e atuadores fazem parte da rede. 62

32 Neste sistema o controlador coleta informações dos vários transdutores e, baseado nas informações do sistema (algoritmo dos programas aplicativos), controla um atuador ou grupo de atuadores. Em relação à distribuição das tarefas de controle, este sistema é completamente centralizado. Somente as atuações de baixo nível e as informações dos sensores são distribuídas. 63 Configuração Hierárquica A figura anterior possui distribuição hierárquica onde um controlador controla os níveis mais baixos e todas as funções associadas. A idéia é reduzir a fiação entre o controlador e os sensores/transdutores/atuadores diminuindo os custos com cabeamento. 64

33 Sistema de Controle totalmente distribuído, onde o controle das tarefas e o sistema físico são descentralizados. (2.14) 65 66

34 67 68

35 69 70

36 71 72

37 73 74

38 75 Principais problemas com SDCD Existência de vários fabricantes grandes como: Honeywell, Bailey, Yokogawa, Foxboro, entre outros com sistemas proprietários. Sistemas proprietários de difícil interconexão. 76